都兰地震台不同地磁观测仪产出资料分析

卢嘉沁，罗宾生，赵玉红

(青海省地震局,青海 西宁 810001)

0 引 言

随着地震科技水平的日益提高，地震观测逐步走向数字化、网络化、智能化，其高精度、大动态的观测数据在地震科研和预报中得到了广泛应用[1]。“九五”项目期间江苏省地震局研制出智能化分量质子磁力仪，即FHD质子磁力仪，具有数字化程度高和观测精度高的特点[2]。“十一五”背景场项目期间，配置GM4-XL型磁通门磁力仪，与其他类型的测磁仪器相比,磁通门磁力仪具有分辨力高、弱磁场测量范围宽、可靠、能够直接测量磁场的分量等特点[3],目前已被广泛应用于地磁相对观测 。

都兰地震台(以下简称“都兰台”)现有相对观测仪器三套，其中FHD质子矢量磁力仪一套、GM4-XL型磁通门磁力仪两套，其工作方式不同于模拟时代的相对记录仪，架设和运行维护也有各自的特点，两者所观测的物理量相同但观测原理不同，针对此种情况，本文选取2019年1月～2020年12月的观测数据进行对比分析。

1 都兰台观测环境及地磁仪器概况

1.1 台站观测环境

都兰台位于青海省海西蒙古族藏族自治州都兰县，属国家Ⅱ类台，海拔3 198 m。台站所在位置属昆仑褶皱系所属二级构造单元—东昆仑褶皱带之北缘，其北缘以深断裂带与祁连褶皱系相隔，而西接柴达木地块，故地势西高东低，山间常发育小型盆地。观测环境周边无铁路、金属管线等。无产生工业游散电流的干扰源。

1.2 地磁观测概况

都兰台观测场地于2007年建成，质子磁力仪(FHD-2)数据观测质量良好。但2013年起受高速公路影响，观测场地整体于2014年11月10日搬迁至砖厂(都兰县上庄村二队)，搬迁后距离台站4 km。质子磁力仪与地电场仪也随之搬迁，同时架设三套地磁秒数据仪器(GM4-XL[6]、GM4-XL[7]、GSM-90F)，地磁观测场地200 m范围内磁场梯度小于1.0 nT/m，电磁环境干扰背景≤ 0.1 nT,静态磁场干扰≤0.5 nT，符合地震台站观测环境技术要求，地磁观测房均由石英砂建成，无磁性，从而减少了干扰。FHD-2的探头、线圈与数采安装在不同的地磁观测室，信号线通过地埋方式连接到数采，两者相距85 m，FHD-2测量范围20 000～70 000 nT，精度总场F为0.3 nT，分量H(或Z)为0.6 nT，磁偏角D为0.1′。两套GM4-XL型磁通门磁力仪由磁通门探头、模拟装置和主机三个单元构成，探头采用地埋式方法埋设至相对记录观测室东侧，测量范围0～±62 500 nT，分辨力为0.1 nT，温度系数小于1 nT/℃，工作温度为0～+40 ℃。

2 观测资料对比分析

为检测三套仪器的观测质量，对观测资料的日均值、磁静日分钟值、磁扰日分钟值分别进行差值对比分析，由于都兰台无基准观测，通过对比西北地区的兰州、天水、湟源、都兰四个地震台FHD-2自2019年至2020年的日均值曲线，发现四个台站日均值曲线一致性高(图1)，故选取都兰台FHD-2作为参考观测仪器，都兰台地磁数据差值由FHD-2观测数据分别与两套GM4-XL型磁通门磁力仪观测数据差值计算得出。差值的评判标准为ΔD≤0.2′、ΔH≤2 nT、ΔZ≤2 nT。

图1 西北地区4个台站质子磁力仪H分量日均值曲线

2.1 日均值对比

由日均值曲线及日均值差值数据可以看出：三套观测仪器的曲线形态不一致，GM4-XL[6] 的D分量向上漂移，8月起向上漂移趋势更为明显；H分量4月起向上漂移，10月起转为向下漂移；Z分量4月起向下漂移，10月转为向上漂移。GM4-XL[7]的D、Z分量向下漂移，H分量向上漂移。对FHD-2与GM4-XL[6] 、FHD-2与GM4-XL[7]的各分量差值进行统计，范围见下表，两套磁通门磁力仪与质子矢量磁力仪各分量差值范围均超过ΔD≤0.2′、ΔH≤2 nT、ΔZ≤2 nT的差值评判标准，且GM4-XL[6]与FHD-2各分量的差值与GM4-XL[7]与FHD-2各分量的差值相比较大。

图2 都兰台同场地三套地磁仪器日均值曲线

表1 都兰台三套地磁仪器日均值差值统计表

2.2 预处理分数据比较

为分析三套仪器产出数据的一致性，特选取磁静日2020年2月14日(K指数之和为3)和磁扰日2020年8月3日(K指数之和为27)两天的预处理数据进行对比分析。

由磁静日曲线可看出：三套仪器产出数据的曲线形态基本一致，由表2可看出磁静日时两套磁通门磁力仪与质子磁力仪的差值相差不大， H分量的差值均在差值评判标准范围内，但D、Z分量差值超出ΔD≤0.2′、ΔH≤2 nT、ΔZ≤2 nT的差值评判标准。

图3 磁静日预处理分钟值曲线

由磁扰日曲线及差值曲线可看出：三套仪器产出数据的曲线形态基本一致，由表2可看出磁扰日时两套磁通门磁力仪与质子磁力仪的差值相差不大，但各分量差值均超出ΔD≤0.2′、ΔH≤2 nT、ΔZ≤2 nT的差值评判标准。

表2 都兰台三套地磁仪器预处理分钟值差值统计

综上，对全年日均值数据及预处理分数据分析可得出如下认识：①都兰台同场地地磁观测仪器记录数据长期变化曲线形态及差值差异较大，2套磁通门磁力仪均存在漂移现象，但漂移程度不同， GM4-XL[6]漂移现象更为明显；②都兰台同场地地磁观测仪器均可记录到清晰的日变化形态，且日变化曲线形态一致性高，磁扰日时2套磁通门磁力仪与质子磁力仪的差值均较磁静日时差值大，磁静日时D、Z分量、磁扰日时各分量差值均超出ΔD≤0.2′、ΔH≤2 nT、ΔZ≤2 nT的差值评判标准。

图4 磁扰日预处理分钟值曲线

2.3 背景噪声

当仪器正常观测时，决定仪器性能好坏的核心指标不是仪器的灵敏度或分辨率，而是仪器的背景噪声。地磁台网的评比标准中包含仪器参考背景噪声指标，可通过它来衡量仪器性能的优良[4]。2020年都兰台2套磁通门磁力仪及质子磁力仪每月仪器背景噪声、台网公布的参考背景噪声情况见表3和表4。

表3 磁通门磁力仪背景噪声及台网参考背景噪声统计

表4 质子磁力仪背景噪声及台网参考背景噪声统计

由磁通门磁力仪背景噪声及台网参考背景噪声统计表及质子磁力仪背景噪声及台网参考背景噪声统计表可知，2套磁通门磁力仪的背景噪声显然低于质子磁力仪的背景噪声值。对于磁通门磁力仪而言，GM4-XL[6]的D、Z分量噪声值低于GM4-XL[7]的D、Z分量，且低于台网参考背景噪声值；GM4-XL[7]的D、Z分量噪声值大于台网参考噪声值，Z分量尤为明显；GM4-XL[6]与GM4-XL[7]的H分量噪声值相差不大，但均超过台网参考背景噪声值。对于质子磁力仪而言，2020年D分量噪声值高于台网参考背景噪声值的月份较多。综上可看出同场地质子磁力仪的背景噪声高于磁通门磁力仪背景噪声，相同地磁仪器的背景噪声也存在差异，GM4-XL[6]的噪声值小于GM4-XL[7]的噪声值，故GM4-XL[6]的精度相对而言更高。

3 影响观测资料的因素分析

对观测资料进行分析梳理，发现引起磁通门磁力仪数据的因素主要有观测系统故障、预处理错误以及放置探头环境温度等可控因素及仪器自身原因引起的一系列不可控因素等。

有无模拟患者对一年级学生掌握胰岛素注射技术和咨询技能的影响[13]。对照组采用传统的教学方法。在干预之前，所有学生都接受了知识测试，以评估他们对胰岛素注射技术和咨询技能的基本理解。干预组加入模拟患者，学生们用示教的方式向患者提供咨询，直到他们感觉患者接受了足够的正确使用胰岛素的培训。在干预后一个月，所有学生完成知识保留测试。知识保留测试是使用与干预前测试相同的25个多项选择题测试，但是答案和问题顺序被重置。通过两样本t检验进行分析，在药学课程中加入模拟患者教学，可以提高学生的咨询能力和临床技能的知识保留。

3.1 观测系统故障对资料的影响

对都兰台磁通门磁力仪而言，观测系统对观测资料的影响因素主要包括数采故障、供电故障两方面。外界环境并无干扰，但记录数据仍然出现乱数(尤其只有D分量出现乱数时)一般为数采故障所致，供电系统故障一般为智能电源死机所致，其表现形式为D、H、Z三个分量出现大幅度台阶，上述故障均会引起数据同步性降低，使得磁通门磁力仪与参考观测仪产出的资料差值增大。

对质子磁力仪而言，观测系统对观测资料的影响因素主要包括仪器工作参数偏离的影响、交流电磁的影响、信号线长度的影响。各分量大幅度突跳致使数据曲线无正常形态，此现象一般为仪器参数偏离或交流电磁影响所致。在FHD-2B观测系统中，连接探头和仪器间的信号线还存在少量分布电容和线阻，若信号线较短，可忽略线阻和分布电容对选频的影响；若信号线较长，信号线中存在的分布电容和电阻就较大，会对FHD质子磁力仪选频特性产生一定的影响，造成选频中心频率偏移，并降低信噪比；信号线较长，信号线电阻较大时，会衰减仪器的信号强度，造成测量数据噪声增大。此外，信号线较长易受到交流电磁耦合干扰，造成数据噪声增大[5]。为解决信号线长度造成的噪声干扰，FHD-2B提供信号线分布电容修正功能，根据信号线长短不同，进行分布电容修正，从而选频更加精确；厂家发现信号线较长，也会适当提高探头的激化电压，调整仪器信号放大倍数，从而提高信噪比。若改变信号线长度，信号放大倍数与分布电容修正值作相应调整，否则选频特性将发生改变，偏离较大时会使磁场测量精度降低。要保证测量精度，最好将信号线控制在50 m以内[6]。而都兰台FHD-2B质子磁力仪观测系统中，仪器探头与仪器数采位于两间观测室内，信号线通过地埋方式连接，长约85米，信号线过长，导致观测曲线较粗，背景噪声较大。

同时地磁数据变化还与时间服务密切相关，观测要求小于等于0.1 s，当时钟偏差时，数据同步性降低，如图5所示，都兰台FHD-2的时间较GM4-XL[6]、GM4-XL[7]滞后1分钟，曲线形态表现为FHD-2的每一点均滞后于GM4-XL[6]与GM4-XL[7]，此类现象必然会引起仪器数据差值的增大。

图5 时间不同步曲线

3.2 探头所在环境温度的影响

由于都兰台磁通门磁力仪探头所在环境温度在9月～10月时在0 ℃左右，且数据漂移现象明显，故选取2020年9月、10月FHD-2分别与GM4-XL[6]、GM4-XL[7]的差值数据以及温度观测数据，分析差值与温度的关系，同时选取6月～7月观测环境温度较高的时段与9月～10月超差率做对比，对不同观测温度下各分量的超差率进行统计，此处超差率计算如下：

(1)

结果如表5、6所示。

表5 GM4-XL[6]超差情况统计表

由表5可看出对于GM4-XL[6]：2020年9月～10月探头所在的环境温度在-0.6 ℃～0.3 ℃之间，温度高于0.1 ℃、低于-0.3 ℃时超差率均为100%，在-0.1～0 ℃时三分量超差率有所下降；6月～7月探头所在环境温度在11.1～12 ℃之间，各分量仍存在超差现象，但超差率低于9～10月超差率。

表6 GM4-XL[7]超差情况统计表

综合表5、表6可看出GM4-XL[6]与GM4-XL[7]两套磁通门磁力仪的超差率与温度有一定的关系， 6～7月温度较高时各分量的超差率明显下降，但两套仪器各分量在相同温度下超差率差别较大。

3.3 仪器温度特性的影响

磁通门磁力仪温度特性的检验方法采用都兰台两套磁通门磁力仪分别与质子磁力仪日均值数据做差值，而后采用二元回归分析法，研究数据与温度的相关性及温度系数，经过分析，可得出GM4-XL[6]的D、H、Z三分量数据与温度的相关性分别为0.96、0.53、0.55，GM4-XL[7]的D、H、Z三分量数据与温度的相关性分别为0.96、0.42、0.49，由此可看出两套磁通门磁力仪的D分量均与温度有明显的相关性，但H、Z分量与温度的相关性不明显。GM4-XL[6]的D、H、Z三分量的温度系数分别为0.18 nT/℃、15.1 nT/℃、8.97 nT/℃，GM4-XL[6]的D、H、Z三分量的温度系数分别为0.54 nT/℃、9.93 nT/℃、5.58 nT/℃，故两套磁通门磁力仪H、Z分量的温度系数远远超过磁通门磁力仪技术性能中说明的小于1 nT/℃，由此可看出仪器各分量的温度系数对观测数据有一定的影响。

3.4 其他因素

仪器日变曲线不一致以及差值超差的原因还可能与磁通门磁力仪的探头磁轴正交性、仪器定向、仪器格值等因素有关，由于都兰台目前不具备分析以上因素的条件，不再赘述。

4 结 论

通过对都兰台同场地不同地磁观测仪器的观测资料进行对比分析，得出如下结论：

(1)质子磁力仪(FHD-2)较磁通门磁力仪(GM4-XL[6]、GM4-XL[7])长期趋势更加稳定，能够较好地反映出地磁场活动状态，由于都兰台无基准观测仪器，通过对比分析可将质子磁力仪作为参考观测仪器。

(2)对日均值的分析表明都兰台同场地不同地磁观测仪器记录数据长期变化曲线形态及差值差异较大，磁通门磁力仪存在长期漂移现象；对预处理分钟值的分析表明都兰台同场地地磁观测仪器均可记录到清晰的日变形态，且日变化曲线形态一致，但差值除磁静日H分量未超差外，其余分量均超出差值评判标准，磁扰日差值大于磁静日差值。

(3)背景噪声对比分析表明磁通门磁力仪精度较质子磁力仪高，同种地磁仪器在同场地噪声值也存在差异。

(4)造成都兰台同场地不同地磁观测仪器记录数据超差，数据形态不一致的主要原因为观测系统故障、仪器时间不一致、磁通门磁力仪探头所在环境温度的变化及仪器温度特性不同等。